汽輪發電機頂軸油分配器螺栓斷裂故障分析及處理

彭欽春，趙顯國

(中廣核工程有限公司，廣東 深圳　518124)

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汽輪發電機頂軸油分配器螺栓斷裂故障分析及處理

彭欽春，趙顯國

(中廣核工程有限公司，廣東 深圳518124)

電廠汽輪發電機啟動前必須先投頂軸油系統，頂軸油通過油泵由分配器引入支持軸承內將汽輪發電機轉子頂起，為汽輪發電機順利轉動建立初始油膜。因此，頂軸油系統設備的正常投用是汽輪發電機組啟機的前提條件。根據國內某核電站汽輪發電機頂軸油分配器螺栓斷裂的事件，以故障樹分析法對螺栓斷裂的因素逐項分析，歸納出導致螺栓斷裂的直接原因和根本原因。

頂軸油分配器；螺栓斷裂；故障樹；質量管理

1　故障現象

2015年10月14日，由中廣核工程有限公司(以下簡稱中廣核公司)承建的某核電站#4機組進行汽輪機潤滑、頂軸及盤車(GGR)系統調試期間，頂軸油泵壓力突然從28 MPa下降至10 MPa以下，經現場停油泵檢查，發現1個頂軸油分配器調節閥3顆固定螺栓斷裂，造成油壓泄漏并沖刷導致O型圈損壞。經現場進一步檢查，該機組GGR系統頂軸油分配器組件4個調節閥的9顆固定螺栓從根部斷裂，事態嚴重，如圖1、圖2所示。

圖1　頂軸油分配器調節閥

圖2　斷裂的螺栓及O型圈

2　事件調查

頂軸油分配器屬于頂軸油系統設備，其功能是將頂軸油泵引入軸承箱內的高壓油分配至支持軸承內，高壓油從軸瓦上油孔流出將汽輪發電機轉子托起，為汽輪發電機順利轉動建立初始油膜。以高、中壓汽輪機轉子前、后軸承為例，頂軸油分配器對油的分配情況如圖3所示。

圖3　高中壓汽輪機轉子頂軸油分配示意

該事件中的頂軸油分配器由中廣核公司的供應商向國外分供商整體購買，調節閥固定螺栓為原裝。螺栓規格M5×30 mm，Gr12.9級，螺栓擰緊力矩為(7±0.7) N·m。為了查找螺栓斷裂的原因，由第三方專業機構對螺栓進行了斷口形貌觀察、螺栓脫碳層檢查、螺栓硬度測試以及螺栓材料組織觀察等全面檢測，結果如下。

圖4　螺栓斷面SEM

(1)螺栓斷口形貌觀察。觀察斷面的不同區域，發現螺栓斷面存在晶間斷裂和解理斷裂，而這2種斷裂均為材料脆性斷裂的主要表現形式。其中晶間斷裂是裂紋沿晶界擴展，沿消耗能量最小(即原子結合力最弱)的區域進行。而解理斷裂是材料在拉應力作用下，原子間結合鍵沿一定的結晶學平面分離而造成，宏觀形貌是較為平坦且發亮的結晶狀斷面[1]，斷面還存在大量二次沿晶裂紋和雞爪紋分布，斷口邊緣無明顯的腐蝕氧化特征，如圖4所示。

(2)螺栓脫碳層檢查。鋼的脫碳一方面是環境中氧向材料內擴散，另一方面是材料內碳向外擴散，當表面脫碳速度大于氧化速度時形成脫碳層，一般情況下材料的脫碳層其強度與硬度比正常組織低。在本檢測項目中，螺栓經特殊溶液浸蝕后，存在不同程度的脫碳和沿組織晶界延伸的微裂紋，部分裂紋貫穿整個脫碳層，深度甚至達到0.1 mm以上，如圖5、圖6所示。

圖5　螺栓表面脫碳層(拋光態)

圖6　螺栓表面裂紋(溶液浸蝕后)

(3)螺栓硬度測試。在本檢測項目中，螺栓表面硬度為454 HV，芯部硬度為445 HV，不滿足ISO 898.1—2009《碳鋼和合金緊固件機械性能》中規定的12.0等級高強度螺栓硬度不高于435 HV的要求。

(4)螺栓材料組織觀察：按GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定》對螺栓試樣夾雜物進行檢測，螺栓夾雜物均低于1.0級以下，按GB/T 6394—2002《金屬平均晶粒度測定方法》對螺栓試樣磷化物觀察，螺栓內無有害組織磷化物分布。

3　螺栓斷裂原因分析

3.1故障樹

為了直觀地描述頂軸油分配器調節閥固定螺栓斷裂的各項因素，并逐一進行分析，參照故障樹的分析方法，以“頂軸油分配器調節閥固定螺栓斷裂”為事件繪制故障樹，如圖7所示。

圖7　頂軸油分配器調節閥固定螺栓斷裂故障樹

3.2故障樹基本事件分析

3.2.1現場安裝裝配

該機組頂軸油分配器為國外原裝進口，在現場一般不需要復裝，且根據現場核實情況，可排除因現場安裝不當導致螺栓斷裂。

3.2.2材料硬度超標增加脆斷風險

硬度是材料表面抵抗局部塑性變形和破壞的機械性能，硬度過高會增加材料脆斷的風險，本次螺栓檢測中表面硬度和芯部硬度均超過ISO 898.1—2009《碳鋼和合金緊固件機械性能》標準要求(硬度≤435 HV0.3)，增加了螺栓脆斷的傾向。

3.2.3脫碳層空隙吸氫產生“氫脆”

根據前述檢測結果，螺栓存在裂紋貫穿表面脫碳層形成空隙的情況，而螺栓在進行表面鍍鋅防護處理過程中，在含氫的還原性保護氣氛下容易吸入氫。氫對鋼的危害表現為：(1)氫融入鋼中使鋼的塑性和韌性降低，引起“氫脆”；(2)當原子態氫析出變成分子氫時造成內部裂紋性質的缺陷。這2方面均對螺栓脆斷構成風險。

3.2.4T型螺栓R區域應力動態作用

在螺栓服役期間，T型螺栓R區域應力集中，同時在調試期間頂軸油泵啟、停，系統壓力變化導致該處產生交變應力，使螺栓裂紋進一步擴大。

3.2.5供應商質量管理疏漏

根據前述分析，存在質量問題的這批螺栓在制造過程監督以及完工檢驗等多個環節中“順利通關”，說明了供應商對其分供商在緊固件質量監管上存在很大的疏漏。因此，供應商對其分供商使用不符合標準要求的問題產品缺乏有效監督和管控，也是本次設備發生螺栓斷裂的重要因素之一。

3.3原因分析

3.3.1直接原因

根據對螺栓的檢查情況，螺栓本身質量問題是本次螺栓斷裂的直接原因。

3.3.2根本原因

供應商對緊固件的質量管理疏漏是本次螺栓斷裂事件的根本原因。

4　事件處理

經對本事件直接原因及根本原因調查分析后，考慮到在役螺栓也存在斷裂的風險，中廣核公司推動供應商補供一整套頂軸油分配器螺栓及O型圈，滿足該機組GGR系統全部頂軸油分配器調節閥固定螺栓的更換。作為項目間經驗反饋，中廣核公司同時展開全面梳理，對該供應商已供貨的所有項目GGR系統頂軸油分配器調節閥上固定螺栓的情況進行核實，對于存在隱患的螺栓，要求供應商全部重新補供合格件，并提供第三方檢驗之后的螺栓質量證明材料。

針對核電項目關于緊固件的管理，中廣核公司要求供應商嚴格按照相關程序執行，嚴把質量關，杜絕類似問題再次發生。

5　結束語

該案例中螺栓斷裂屬于緊固件失效事件，作為機械基礎零件的緊固件被廣泛地應運到社會各領域，譽之為“工業之米”。而在實際生產生活中，緊固件的失效往往因其選材不當、制造缺陷、設計不合理等問題所致，同時也暴露了部分從業人員對緊固件質量管理經驗不足或管理意識薄弱，所有工作人員都應深思。尤其在核電領域，一定要堅持“核電無小事”的方針，加強緊固件制造質量管控、完善對緊固件的管理手段、提升緊固件各流轉環節中監管的執行力度，將盡量避免緊固件失效導致的事故。

[1]張彥華.工程材料與成型技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.

(本文責編：齊琳)

2015-12-21；

2016-06-21

TM 311

B

1674-1951(2016)06-0055-03

彭欽春(1985—)，女，湖北荊州人，工程師，工學碩士，從事核電汽輪機技術管理方面的工作(E-mail:pqcx501@163.com)。